レーザーの秘密を解き明かす

名古屋工業大学2023年1月14日

科学者らは、Ti:Sapphire レーザーと中赤外自由電子レーザー (MIR-FEL) を使用してシリコンを構造化することにより、レーザー誘起周期的表面構造 (LIPSS) がレーザーの特性に応じてどのように変化するかを実証しました。 クレジット: 名古屋工業大学 宮川玲奈

研究者らは、レーザーの選択が LIPSS に及ぼす影響を特定し、主要な製造パラメーターについての洞察を提供しました。

携帯電話、LED、太陽電池など、私たちが日常的に使用している電子デバイスや光学デバイスでは、トランジスタやその他の部品が使用されており、これらの部品は一貫して小型化が進んでいます。 コンピューティング能力、ストレージ、エネルギー効率に対するニーズがますます高まる中、この傾向はさらに極限に達するでしょう。

電子機器用のこのような小さな部品を製造するには、人間の髪の毛の幅の数百分の1までのサブミクロンスケールの構造の機械加工と準備が必要です。 しかし、表面のナノ加工のための現在の方法は、フォトリソグラフィーと電子ビームリソグラフィーを使用しています。これらの方法は複雑で、非常に高価で、一般にアクセスできず、高度な専門知識を必要とします。

レーザー誘起周期表面構造 (LIPSS) は、これらの方法に代わる新規かつ有望な代替手段として注目されています。 LIPSS では、フェムト秒レーザーを使用して超短レーザー パルスを照射し、レーザー波長よりもはるかに小さい周期パターンを表面に自発的に形成します。

LIPSS のよく知られたパラメータはレーザー波長の選択であり、これは形成される構造の周期性に直接影響します。 しかし、他のパラメータは不明のままです。 LIPSS の標準化された使用に関する主な懸念事項には、形成された表面構造の品質、つまり基板の結晶化度、欠陥の可能性、および歪みが含まれます。 特定の用途向けに制御可能な特性と特性を備えた LIPSS を一貫して生産するには、特定のニーズにどのレーザー光源を使用する必要があるかを理解することが重要です。

レーザー特性を適切に選択することで、レーザー誘起周期表面構造 (LIPSS) の欠陥、ひずみ、周期性を操作することで、特定の用途に合わせて調整および調整できます。 クレジット: 名古屋工業大学 宮川玲奈

To answer these questions in more depth, a Japanese research collaboration led by scientists from the Nagoya Institute of Technology, has now directly investigated the various parameters that are influenced by laser choice. The work, in collaboration with Osaka University, Tokai University, Kyoto University, and the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), was led by Assistant Professor Reina Miyagawa of the Nagoya Institute of Technology, alongside Associate Professor Norimasa Ozaki of Osaka University, and Professor Masaki Hashida of Tokai University, who is also a researcher at Kyoto University. Their findings have been published in the journal Scientific ReportsEstablished in 2011, <em>Scientific Report</em>s is a peer-reviewed open-access scientific mega journal published by Nature Portfolio, covering all areas of the natural sciences. In September 2016, it became the largest journal in the world by number of articles, overtaking <em>PLOS ON</em>E." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">科学レポート。

「私たちの研究では、シリコンを基板として選択しました。シリコンは、トランジスタ、携帯電話、太陽電池など、世界中の多くの光電子デバイスで使用されている材料だからです」と宮川博士は説明します。

研究者らは、基板上で 2 つの異なるフェムト秒レーザーを使用しました。 ある実験では、0.8 μm のパルスを備えたチタンとサファイア (Ti:Sapphire) レーザー システムを使用して、バンドギャップ エネルギーよりも高いエネルギーでシリコンを構造化しました。 もう1つの実験では、研究者らは11.4μmの中赤外パルスで自由電子レーザーを使用し、サンプルのバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーでの効果を調べることができた。 LIPSS サンプルの分析は、顕微鏡と巨視の両方で行われました。 顕微鏡的な結晶化度と純度は透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用して研究され、一方、より広範な構造のひずみと安定性のより巨視的な分析は、シンクロトロン高エネルギー X 線回折 (XRD) を使用して研究されました。

「Ti:Sapphire レーザーを使用した場合、観察された LIPSS はシリコンの高度な結晶性を保持していましたが、いくらかの残留歪みを負っているように見えました。対照的に、中赤外自由電子レーザーによって形成された LIPSS は、 「明らかに目に見える欠陥がありました。しかし、システムに観察可能な歪みはまったくありませんでした」と宮川博士は付け加えました。

この研究は、シンクロトロン高エネルギーX線回折を使用したLIPSSの結晶化度の高解像度の顕微鏡的および巨視的観察に関する最初の報告となる。 この研究結果は、レーザーを適切に選択することで欠陥、ひずみ、周期性を操作することで、LIPSS をどのように調整して特定の用途に合わせて調整できるかを示しています。 これらの方向に沿って研究を続けることで、LIPSS の広範な応用への道がさらに開かれ、さまざまな光電子デバイスに応用できるナノ構造表面のコスト効率が高く、簡単でアクセスしやすい製造が実現します。

Reference: "Crystallinity in periodic nanostructure surface on Si substrates induced by near- and mid-infrared femtosecond laser irradiation" by Reina Miyagawa, Daisuke Kamibayashi, Hirotaka Nakamura, Masaki Hashida, Heishun Zen, Toshihiro Somekawa, Takeshi Matsuoka, Hiroyuki Ogura, Daisuke Sagae, Yusuke Seto, Takahisa Shobu, Aki Tominaga, Osamu Eryu and Norimasa Ozaki, 5 December 2022, Scientific Reports.DOI: 10.1038/s41598-022-25365-1